Fragenkatalog zur Übung Halbleiterschaltungstechnik

Transkript

1 Fragenkatalog zur Übung Halbleiterschaltungstechnik WS 2018/19 Übungsleiter: Christian Diskus Thomas Voglhuber-Brunnmaier Herbert Enser Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik Altenbergerstr. 69, 4040 Linz, Internet:

2 1 Einführung EF.1 Zählen sie alle Elemente (Zweipole) auf, die in einer linearen Schaltung auftreten dürfen. EF.2 Wie ermittelt man den Innenwiderstand einer linearen Schaltung bezüglich eines Klemmenpaares? EF.3 Was ist die Leerlaufspannung eines linearen (Teil-)Netzwerks. Skizze! EF.4 Was ist der Kurzschlussstrom eines linearen (Teil-)Netzwerks. Skizze! EF.5 Zeichnen Sie die Ersatzschaltbilder einer Ersatzspannungsquelle sowie einer Ersatzstromquelle, benennen Sie die vorkommenden Bauelemente und geben Sie den Zusammenhang dieser an. EF.6 Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit das Superpositionsprinzip gilt? EF.7 Beschreiben Sie kurz das Superpositionsgesetz zur Ermittlung des Stromes/ der Spannung im Zweig einer linearen Schaltung. 1

3 2 Diode D.1 Zeichnen Sie qualitativ eine Diodenkennlinie und kennzeichnen Sie die drei charakteristischen Bereiche. D.2 Geben Sie die Gleichung der Diodenkennlinie an und erklären Sie alle vorkommenden Größen. In welchen Bereichen ist diese Gleichung gültig? D.3 Gegeben ist die Serienschaltung einer Diode mit einem Widerstand. Skizzieren Sie diese Schaltung, benennen Sie alle Elemente, Ströme und Spannungen und analysieren Sie diese Schaltung qualitativ grafisch. Geben Sie die Funktion der Lastgeraden sowie deren Schnittpunkte mit der Abszisse und der Ordinate an. D.4 Gegeben ist die Parallelschaltung einer Diode mit einem Widerstand. Skizzieren Sie diese Schaltung, benennen Sie alle Elemente, Ströme und Spannungen und analysieren Sie diese Schaltung qualitativ grafisch. Geben Sie die Funktion der Lastgeraden sowie deren Schnittpunkte mit der Abszisse und der Ordinate an. D.5 Gegeben ist die Serienschaltung einer Diode mit einem Widerstand. Skizzieren Sie diese Schaltung, benennen Sie alle Elemente, Ströme und Spannungen. Erklären sie, wie Sie die Kennlinie dieser Serienschaltung grafisch ermitteln können. Beschriften Sie alle Kennlinien eindeutig und geben Sie deren Funktionen an. D.6 Gegeben ist die Parallelschaltung einer Diode mit einem Widerstand. Skizzieren Sie diese Schaltung, benennen Sie alle Elemente, Ströme und Spannungen. Erklären sie, wie Sie die Kennlinie dieser Parallelschaltung grafisch ermitteln können. Beschriften Sie alle Kennlinien eindeutig und geben Sie deren Funktionen an. D.7 Was ist bei der Parallelschaltung von Dioden (z.b. Leuchtdioden) zu beachten? Grafische Erklärung! Was muss eingebaut werden, damit die Dioden ordnungsgemäß betrieben werden können? D.8 Leiten Sie den differenziellen Widerstand einer Diode her. Wovon hängt dieser ab? D.9 Woran erkennen Sie die Temperaturabhängigkeit der Diodenkennlinie? Begründen Sie dies mathematisch anhand der Diodengleichung. 2

4 2 Diode 3

5 3 Bipolartransistor T.1 Skizzieren Sie den Aufbau eines npn- sowie eines pnp-bipolartransistors und erläutern Sie anhand der Skizzen die Funktionsweise eines npn-bipolartransistors. Warum kommt es zur Stromverstärkung? T.2 Skizzieren Sie: Eingangskennlinie, Transferkennlinie, Stromsteuerkennlinie und Ausgangskennlinienfeld. Geben Sie gegebenenfalls Gleichungen an, die diese Verläufe beschreiben. Unter welchen Bedingungen werden diese Kennlinien aufgezeichnet? T.3 Zeichnen Sie das 4-Quadranten-Kennlinienfeld eines Transistors. Beschreiben Sie die Methode, mit der Sie das Kennlinienfeld aufnehmen würden. T.4 Zeichnen Sie das Kleinsignal-Ersatzschaltbild eines Transistors inklusive Earlyleitwert und geben Sie die Bestimmungsgleichungen der darin vorkommenden Symbole an. T.5 Was versteht man unter einer Arbeitspunkteinstellung eines Transistors und warum ist diese überhaupt nötig? Nach welchen Kriterien wählen Sie den Arbeitspunkt? T.6 Skizzieren Sie ein 4-Quadrantenkennlinienfeld und zeichnen Sie den Arbeitspunkt für die unten dargestellte Schaltung in jede der drei Kennlinien ein. Zeichnen Sie die durch R C festgelegte Arbeitsgerade in den passenden Quadranten ein. Überlagern Sie nun dem Arbeitspunkt ein Kleinsignal und bestimmen Sie U CE grafisch. 4

6 4 Bipolartransistor - Arbeitspunkteinstellung TAP.1 Zeichnen Sie die zwei Schaltungen zur einfachen Spannungs- und Stromeinstellung und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Kennlinien zu Stromverstärkung und Transferverhalten. TAP.2 Zeichnen Sie die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung mit Basisvorwiderstand und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Transferkennlinie. Geben Sie dort die Funktion der Arbeitsgeraden an. TAP.3 Zeichnen Sie die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung mit Basis-Spannungsteiler (ohne Gegenkopplung) und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Transferkennlinie. Geben Sie dort die Funktion der Arbeitsgeraden an. TAP.4 Zeichnen Sie die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung mit Basisspannungsteiler und stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung (vulgo Stromgegenkopplung ) und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Transferkennlinie. Geben Sie dort die Funktion der Arbeitsgeraden an. TAP.5 Zeichnen Sie die Schaltung zur Arbeitspunkteinstellung mit spannungsgesteuerter Stromgegenkopplung (vulgo Spannungsgegenkopplung ) und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile anhand der Transferkennlinie. Geben Sie dort die Funktion der Arbeitsgeraden an. 5

7 5 Emitterschaltung - Kleinsignalverhalten ES.1 Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild einer Emitterschaltung mit stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung ( vulgo Stromgegenkopplung ) inklusive Early-Leitwert. Sehen Sie einen Kondensator zur Verringerung der Gegenkopplung bei Wechselsignalen vor. Benennen Sie alle Bauelemente und geben Sie die beiden Ausdrücke für den Strom der gesteuerten Quelle an. ES.2 Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild einer Emitterschaltung mit spannungsgesteuerter Stromgegenkopplung (vulgo Spannungsgegenkopplung ) inklusive Early-Leitwert. Benennen Sie alle Bauelemente und geben Sie die beiden Ausdrücke für den Strom der gesteuerten Quelle an. ES.3 Skizzieren Sie einen belasteten Verstärkervierpol ( Black Box mit Eingangstor und Ausgangstor), welcher am Eingang mit einem Generator gespeist wird, und geben Sie die Definitionen von Eingangswiderstand und Betriebsverstärkung an. ES.4 Skizzieren Sie einen unbelasteten Verstärkervierpol ( Black Box mit Eingangstor und Ausgangstor), welcher am Eingang mit einem Generator gespeist wird, und geben Sie die Definition der Leerlaufverstärkung an. ES.5 Skizzieren Sie einen Verstärkervierpol ( Black Box mit Eingangstor und Ausgangstor) mit passender Beschaltung für die Berechnung des Ausgangswiderstandes und geben Sie die Definition des Ausgangswiderstandes an. ES.6 Erklären Sie den Early-Leitwert und die Early-Spannung anhand des Ausgangskennlinienfeldes eines Transistors.

8 6 Verstärkerschaltungen VS.1 Zeichnen Sie eine Emitterschaltung mit stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung (vulgo Stromgegenkopplung ) inklusive Generator und Last. Ist die Spannungsverstärkung eher hoch oder niedrig? Ist sie positiv oder negativ? Wie wirkt sich ein Kondensator aus, welcher parallel zum Emitterwiderstand geschaltet wird? VS.2 Zeichnen Sie eine Kollektorschaltung inklusive Generator und Last. Was können Sie über die Spannungsverstärkung aussagen? Ist sie positiv oder negativ? VS.3 Zeichnen Sie eine Basisschaltung inklusive Generator und Last. Ist die Spannungsverstärkung eher hoch oder niedrig? Ist sie positiv oder negativ?

9 7 Stromquellen/-spiegel und Differenzverstärker SD.1 Zeichnen Sie die Schaltung einer einfachen Stromquelle bestehend aus einer Emitterschaltung mit Basisspannungsquelle und stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung (vulgo Stromgegenkopplung ). Erklären Sie die Funktion der Schaltung und geben Sie I a(u BE ) an (Ausgangsstrom als Funktion der Basis-/Emitterspannung). SD.2 Zeichnen Sie die Schaltung einer einfachen Stromquelle bestehend aus einer Emitterschaltung mit Basisspannungsquelle und stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung (vulgo Stromgegenkopplung ). Erklären Sie die Funktion der Schaltung und geben Sie I a(u CE ) an (Ausgangsstrom als Funktion der Kollektor-/Emitterspannung). SD.3 Zeichnen Sie die Schaltung einer einfachen Stromquelle bestehend aus einer Emitterschaltung mit Basisspannungsquelle und stromgesteuerter Spannungsgegenkopplung (vulgo Stromgegenkopplung ). Zeichnen Sie zusätzlich eine schaltungstechnische Variante zur Stabilisierung gegenüber Schwankungen der Temperatur und eine schaltungstechnische Variante zur Stabilisierung gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung. SD.4 Zeichnen Sie die Schaltung eines einfachen Stromspiegels, erklären Sie die Funktion der Schaltung und zeigen Sie I a = I e. SD.5 Zeichnen Sie die Schaltung eines einfachen Differenzverstärkers und erklären Sie die Funktion der Schaltung. Geben Sie die Definitionen von Differenzverstärkung, Differenzeingangswiderstand und Differenzausgangswiderstand an. SD.6 Zeichnen Sie das Kleinsignalersatzschaltbild eines einfachen Differenzverstärkers und berechnen Sie für einen idealen Differenzverstärker (ideale Stromquelle mit R i ) Differenzverstärkung, Differenzeingangswiderstand und Differenzausgangswiderstand (ohne Early-Effekt).

10 8 Feldeffekt-Transistoren FET.1 Zeichnen Sie die Schaltsymbole für vier verschiedene MOSFETs (n-kanal/p-kanal, selbstleitend/selbstsperrend) und zeichnen Sie für einen davon Transferkennlinie und Ausgangskennlinienfeld. FET.2 Wie lauten die Gleichungen für Transferkennlinie und Ausgangskennlinie eines nmosfet? FET.3 Wie lauten die Gleichungen für Transferkennlinie und Ausgangskennlinie eines pmosfet? FET.4 Zeichnen Sie das allgemeine Kleinsignalersatzschaltbild eines MOSFET und geben Sie eine Formel für die Steilheit S an. FET.5 Zeichnen Sie die Schaltung für ein CMOS NAND-Gatter und geben Sie tabellarisch dessen Funktion an. FET.6 Zeichnen Sie die Schaltung für ein CMOS NOR-Gatter und geben Sie tabellarisch dessen Funktion an.